基于短時傅里葉變換的干擾信號識別方法

王程，鄭小燕，王海彬

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基于短時傅里葉變換的干擾信號識別方法

王程，鄭小燕，王海彬

（機電工程與控制國家級重點實驗室，西安 710065）

提高無線電引信識別欺騙式干擾的能力。根據炮彈彈體自旋的特點，使得采用連續波線極化天線的無線電引信所收到的干擾信號呈現出有別于地面回波的周期性幅度調制特征，通過對此特征進行短時傅里葉變換后進行識別，可以作為無線電引信是否受到欺騙式干擾的判斷依據。通過仿真和試驗對方法的可行性進行了驗證，表明該識別方法可以很好地提高連續波無線電引信的識別欺騙式干擾的能力。基于短時傅里葉變換檢測旋轉調制的對地旋轉彈無線電引信欺騙干擾識別的方法可以對干擾信號特征進行識別，算法處理時間短，能夠作為引信是否受到干擾的一種判斷依據。

對地旋轉彈；無線電引信；欺騙干擾識別；短時傅里葉變換

面對復雜的戰場電磁環境，引信干擾技術和干擾設備不斷更新發展，對無線電引信的抗干擾能力提出了越來越高的要求[1]。現代戰爭中的復雜電磁環境以及各種人為的有源無源干擾，特別是欺騙式干擾，給引信的正常工作帶來了巨大的威脅[2]。

文獻[3]采用互相關和正交投影方法抑制欺騙式干擾，但需要很多的先驗知識；文獻[4]基于盲分離算法提出兩種算法對欺騙式干擾信號進行抑制，但算法較為復雜，運算量較大；文獻[5]采用隨機調頻和盲分離的方法抑制干擾信號，但該方法在量化位數高的情況下不能有效識別干擾信號。文中針對無線電引信對欺騙式干擾的識別困難、占用資源較多且抗干擾能力弱的問題，提出了基于短時傅里葉變換的干擾信號識別方法。

1 無線電引信欺騙式干擾

彈箭無線電引信的干擾機理是干擾信號作用于引信接收部分，使其產生點火信號而使炮彈早炸，降低其毀傷效能。無線電引信抗干擾問題的實質是無線電引信對目標信號與干擾信號的識別以及有效抑制干擾信號的問題[6]。

地面多普勒信號主要是由地面反射信號和地面背景雜波疊加得到的。當地面起伏遠小于工作波長時，可以認為地面反射為鏡面反射。引信在工作時，隨著彈體與目標逐漸接近，在時域上回波信號的幅度是增加的，具有增幅特性，并且彈體和目標越接近其增幅速率越高[7]。

無線電引信的有源干擾基本上分為壓制式和欺騙式兩類，其中壓制式干擾通過阻塞、瞄準或掃頻形式來實現。欺騙式干擾方法是模擬目標回波信號，在引信的目標探測或者信號處理系統中產生假目標，觸發引信啟動規則或者條件，從而導致提起爆戰斗部前動作。對引信實施欺騙式干擾的特點是干擾機能夠產生與回波信號特征一致的干擾信號，在引信天線到執行電路之前的所有環節產生與引信發射信號回波相同或相似的效果[8]。

2 短時傅里葉變換

短時傅里葉變換（STFT，Short-time Fourier Transform）也稱加窗傅里葉變換，它是一種用局部頻譜來表示信號頻譜與時間關系的方法。其基本思路是用一個截斷函數與時間信號相乘，該截斷函數的時寬足夠窄，使處理后的信號可以與平穩信號類似，對該段信號進行傅里葉變換，從而反映該時間段內信號中的頻譜變化規律，如果讓截斷函數沿時間軸移動，可以得到信號隨時間變化的規律[9]。

由于截斷函數的時移特性，使得短時傅里葉變換具有既是時間函數又有頻率函數的局部特性，而對于某一時刻的短時傅里葉變換，也就可以作為該時刻的“局部頻譜”。因此，對目標信號直接采用STFT，就可以將多普勒表征出來。

STFT算法應根據信號處理的需要選擇適當的截斷函數，對截斷函數內的信號進行離散傅里葉變換，再輸出有效的信號時頻特性。

3 基于短時傅里葉變換的干擾信號識別方法

一般采用收發一體的無線電探測器所采用的天線為線極化天線，這是由于若探測器采用同一副橢圓極化天線收發信號，其所發射的電磁波遇到目標所產生后向散射波被天線接收后的信號功率小于采用線極化天線的探測器。在極端條件下，若探測器天線發射圓純極化波正入射到無限大光滑到點平面目標，反射信號經天線接收后的功率理論上應為0，所以大部分收發一體的無線電引信均采用線極化天線[10]。

對于彈體在彈道運動中自旋的無線電引信來說，采用振子天線、微帶貼片天線等天線的引信探測器天線的極化方向也會以彈軸為中心產生旋轉，且旋轉速度與彈體自旋速度相同。當引信受到外部欺騙式干擾時，探測器在彈道中所接收到的干擾信號將會受到極化調制，產生周期性的幅度調制。

通常情況下，地面回波由于地面粗糙度或植被等原因有很強的散射隨機特性，而無線電信號能夠穿透某些地表或植被表面，因此回波信號中的地面散射和內部折射疊加在一起，使地面散射回波更加復雜。在沒有干擾的情況下，引信與地面交匯過程中，彈體旋轉的同時還具有彈道方向的高速運動，產生的多普勒信號會強于由于天線極化調制產生的信號。同時由于地面強散射點的不規律性，引信天線旋轉引起的極化調制特征會淹沒在地面散射回波中，使其產生的調制難以從地面回波中分解出來，為干擾信號的識別提供了條件。

干擾機在遠距離對引信進行干擾時，引信與地面的距離較遠，因而地面散射回波信號極其微弱，甚至淹沒在噪聲中，所以引信所接收到的信號是純粹的干擾信號。此時，引信接收到的干擾回波信號呈現出非常規律的由于彈體自旋而引起的自旋調制特征，通過對此特征的識別，可以有效判斷出引信所接收到的信號為干擾信號而非真實的回波信號，因此可以避免引信受到欺騙而產生早炸現象，提高抗干擾能力。

對于彈體在彈道運動中高速自旋的引信來說，接收到的目標回波信號是一種非平穩信號，而短時傅里葉變換作為一種信號時域頻域的分析方法，處理的信號主要是非平穩信號，所以這里用短時傅立葉變換對引信接收到的目標回波信號進行處理是一種可行、有效的方法。設定一個時間寬度很短的截斷函數()，并且這個截斷函數在一定時間段內滑動，則信號()的短時傅立葉變換(STFT)定義為：

正是由于截斷函數的在某一段時間內移動的特性，使得短時傅里葉變換既具有時間函數的局部特性，又具有有頻率函數的局部特性，而對于某一時刻的短時傅里葉變換STFT()，也就可以作為該時刻的“局部頻譜”。因此，對引信收到的目標回波信號直接采用STFT，是能夠將該信號的多普勒特征解析出來的。

對于引信回波信號中的多普勒周期特征，可以用序列相關函數來提取。一般情況下，彈體在彈道運動中高速自旋具有一定的周期性，因此，引信接收到的回波信號必然存在受到周期運動調制而產生的周期信號，而序列相關函數可以充分地描述該回波信號具有的周期信息。一個離散信號的序列相關函數可以定義為：

序列相關函數具有這樣的性質：如果信號是以個抽樣為周期的，則

說明該周期信號的序列相關函數與其固有的周期相同。因此，對于一般的周期信號，若，即信號的長度大于1個周期，則在抽樣點為0，±，±2，…處，其序列相關函數達到極大值。也就是說，可以不用考慮信號的起始時間，而直接確定序列相關函數的第一個最大值和次最大值的位置來達到估計周期的目的。若對該信號處理的采樣頻率為f，序列相關函數最大值位于第個采樣點，次大值位于第個采樣點，則信號的周期估計值為：

由以上分析可以看出，STFT算法在多個估計周期內其自相關函數具有同一性，大大降低了算法的復雜度，縮短了算法處理時間，降低了算法所占用的資源。同時，由于彈體在自旋時極化特性的幅度調制具有很好的周期性，為STFT算法的自相關函數的選取提供參考依據。

通過采用STFT對受到干擾時的多普勒信號幅度調制周期規律的提取，將原信號成為離散的時間信號，在時間域內可進行包絡提取、峰值檢測等處理。

4 試驗驗證

為了驗證該方法的可行性，首先通過仿真軟件ADS與Matlab對地面多普勒回波信號和干擾信號進行了聯合仿真，如圖1所示。引信在高速自旋情況下在接近地面時的信號幅度特征如圖1所示，該信號由于地雜波和地面強散射特性的存在，引信在接近地面時多普勒回波信號會與地雜波相疊加產生具有連續增幅特征的信號，該信號只有增幅和增幅速率特性，極化天線的調制特性是無法簡單提取的。在加入極化調幅的欺騙式干擾信號后，回波信號如圖2所示。該信號仍然具有增幅和增幅速率特性，在沒有抗干擾識別機制時很容易被認為是地面回波而引發啟動信號。該信號同時還具有周期性的幅度調制特征，這就可以作為判斷引信是否接收到干擾信號的重要依據。

圖1 引信高速自旋時對地多普勒回波信號

為了進一步更直觀地驗證該方法，在微波暗室內采用半實物測試進行驗證。將引信探測器放置在轉臺上，模擬彈體自旋。在距離探測器20 m處放置一金屬角反射器模擬對地探測目標。將轉臺和探測器一起向金屬角反射器推進，模擬彈目交匯過程，同時采集探測器輸出信號，得到探測器未受到干擾時的中頻輸出信號，如圖3所示。該信號只有幅度特征和增幅速率特征。

圖3 探測器未受到干擾時的中頻信號輸出波形

將金屬板用標準喇叭天線替換，同時發射與探測器同頻率的干擾信號，模擬引信受到欺騙式干擾時的干擾信號，重復上述試驗。在引信射頻前端接近喇叭天線的過程中，使射頻前端在轉臺上垂直于運動方向進行旋轉，用示波器檢測引信輸出信號，得到探測器受到干擾信號干擾時的中頻信號輸出信號，如圖4所示。

對沒有受到干擾時的探測器輸出的信號進行相關的信號處理（如圖5a所示）和受到干擾時的信號進行相關處理（如圖5b所示）后，得到一種可以用來判斷探測器是否受到干擾的判別方法。當探測器輸出信號出現幅度逐漸增加的增幅特性時，引信未收到干擾；當探測器輸出信號出現周期性的峰值信號時，可以判斷探測器已經受到了欺騙式干擾，此時信號處理電路中的峰值檢測電路持續輸出幅度相近的大電壓信號，引信可以由近炸改為觸發模式。

短時傅里葉變換可以通過可編程邏輯門陣列運算FPGA來實現，信號通過模數變換后經過FPGA內的寄存器延時，再通過蝶形單元根據運算規則進行處理。選用賽靈思公司的FPGA芯片來實現STFT，通過數模仿真工具的仿真計算，快速傅里葉變換部分的資源約占整個芯片的28%，占用了很少的彈上資源，運算256點FFT所需時間只有80 ns，運算速度快，符合引信工作時間短的特點。經過仿真模擬與半實物測試后，對具有自旋特性的無線電引信在受到欺騙式干擾時的周期現象進行了驗證，對采用短時傅里葉變換對干擾信號的識別也進行了實現，表明該方法對干擾信號的識別有效，算法處理時間短，可以很好地提高無線電引信的抗干擾能力。

5 結論

文中提出了基于短時傅里葉變換檢測旋轉調制的對地旋轉彈無線電引信欺騙干擾識別的方法。使用線極化的無線電引信探測器，在彈體自旋的情況下，受到欺騙式干擾時，探測器在彈道中所接收到的干擾信號將會受到極化調制，產生周期性的幅度調制。通過采用短時傅里葉變換對無線電引信的極化調制信號的時頻特性的提取和識別，可以判斷探測器是否受到了欺騙式干擾。模擬試驗表明，該方法在引信受到干擾時，可以對干擾信號特征進行識別，算法處理時間短，能夠作為引信是否受到干擾的一種判斷依據。今后將改進信號處理算法方式，采用更加快速高效的計算方法，進一步縮短處理時間。

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Interference Signal Recognition Method Based on Short-time Fourier Transform

WANG ChengZHENG Xiao-yanWANG Hai-bin

(National Key Laboratory of Electromechanical Engineering and Control, Xi′an 710065, China)

To improve the ability of radio fuze to identify deception interference.Methods Due to characteristics of .missile spin, the interference signal of radio fuzeby using continuous wave linear polarization antenna received show periodic amplitude modulation characteristics different from ground echo. The characteristics were identified after short-time Fourier transform to be taken as the basis to determine whether radio fuse is subject to deception jamming.Results The feasibility of the method was verified by simulation and experiment. It showed that the recognition method can improve the ability of identifying the deceptive jamming of CW radio fuze.Conclusion The interference recognition method on ground rotating modulation rotary missile radio fuze based on short-time Fourier transform can identify characteristics of interference signal in short time of algorithm processing. It can be used as a judgement basis for whether the fuze is disturbed.

ground rotating artillery shell; radio fuze; deception jamming recognition; short-time fourier transform

TB332；V258

A

1672-9242(2018)03-0067-04

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.014

2017-11-22；

2017-12-11

王程（1983—），男，新疆人，工程師，主要研究方向為無線電引信技術。